空间光通信技术及其应用

单吉祥 上海邮电设计院

　　光纤通信与无线通信是当前的热门技术。一种新型宽带接入技术——自由空间光通信系统（FSO：Free Space Optical communication system），是二者结合的产物。FSO不是用光纤作为传输媒介是在空气中用激光或光脉冲在THz光谱范围内传送分组数据的通信系统。尽管60年代就有人对无线光通信进行过研究，但当时主要用于军事及实验目的，其商业应用最近一、两年才在美国兴起。FSO技术既能提供类似光纤传输的速率，又无需在频谱等稀有资源方面有很大的初始投资；另外，激光技术的进步已经使耐用可靠的器件变得很便宜，大大降低了FSO设备的造价；与光纤线路相比，FSO系统不仅建设周期较短，成本也低很多，大约是光纤到大楼成本的1/10-1/3。因此，在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率（如STM-1或更高）的情况下，FSO不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径。

拓扑结构

　　FSO网络主要有3种拓扑结构：点到点、点到多点（星形）和格形网，也可以把它们组合起来使用。

　　点到点结构是最简单的网络拓扑。目前已使用的FSO系统多数采用此结构，其原因是大多数系统只是用来连接企业内部的各幢大楼，作为宽带的专线连接。点到点的网络拓扑结构的优点是链路独立，网络规划简单；但是其光链路没有任何保护，只要有一个点出故障，链路就中断，因而它不适合于在电信级系统中应用。

　　点到多点的网络拓扑结构可以把业务集中到一点（集线器或中心节点），再接入核心网，这种组网结构效率较高、较经济。但每条链路仍无冗余保护，可靠性较差；并且为了在视距内连接尽可能多的大楼，集线器的位置非常关键，集线器的成本也较高。

　　格形结构通过多个网络节点可以提供几乎实时性的迂回路由，使服务得到保护。格形结构还可以把业务集中到某些特定点，再有效地接入光纤网络。其缺点是传输距离短、成本比点对点、点对多点的网络拓扑高，网络规划也较复杂。

优点

　　光纤连接非常昂贵，据统计，即使在通信发达的国家，如美国，也有几乎90%的办公大楼与电信业务提供商之间没有光纤连接。根据AirFiber公司的分析，如果在美国采用FSO的格形结构配置，每幢大楼的成本约为2万美元，平均链路长度为55米，最长为200米，安装时间也只需要2-3天。相反，如果采用光纤连接，则每幢大楼需5～20万美元，通常需要4-12个月才能连通。 因此，成本低、安装方便、建设快是FSO系统的主要优点。除此以外，FSO还有如下一些优点：

　　无需频谱许可证。无线光通信因设备间无信号的相互干扰，故无需像无线电通信（如微波、LMDS）那样申请频率许可证。

　　带宽高。如果采取点到点的组网方式，FSO能支持155Mb/s-10Gb/s的传输速率，传输距离在2-4公里之间。在点到多点的组网方式中，FSO同样能支持155Mb/s-10Gb/s的传输速率，但传输距离为1-2公里。如果采用格形的组网方式则可支持622Mb/s的传输速率，传输距离为200-400米。

　　安全保密性强。FSO的波束很窄，定向性非常好，并且用户到集线器之间的链路通常是加密的，安全保密性较强。
　

　　协议透明。FSO以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送。

缺点

　　FSO是一种视距技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输超过一定距离时（一般为几公里）波束就会变宽以致难以被接收节点正确接收。所以FSO一般只限于城市内使用。目前，大部分测试表明，在1km以下才能获得最佳的效率和质量。

　　传输质量对天气非常敏感是FSO的另一主要问题。晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨天、下雪和雾天对传输质量的影响则较大。据测试，FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、雾，50-300db/km，目前针对这一问题有缩短传输距离、采用备份链路等解决办法。

　　建筑物晃动将影响两个点之间的激光对准。对FSO来说，为了保证光传输链路的性能，光链路两端的对准（捕获）和保持（跟踪）至关重要。但在对准以后，在风力和其它因素的作用下，建筑物会有些晃动，这就要求链路两端设备都必须具备自动跟踪的能力。

　　激光的安全问题也会影响其使用。超过一定功率电平的激光有可能对人眼产生影响，人体也可能被激光系统释放的能量伤害。目前有关激光的安全标准都建议其功率电平应允许让裸视和助视（如双筒望远镜）时，眼睛看到不会受到伤害。

与其他接入技术的比较

　　当前有很多种接入技术可供选择，比如FSO、光纤、DSL以及LMDS等。其中光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤敷设的较长周期及高额投资限制了其普及，并且一旦用户离开，业务提供商想要收回投资就变得十分困难；LMDS技术日渐成熟，它比FSO的传输距离远，但这种接入方式需要高额的初始投资（频谱许可证），对业务提供商而言，这种接入技术不如FSO经济；尽管铜缆是一种易得的传输媒介，用铜缆相连的大楼也远多于光纤，但由于DSL的带宽太低，使得这种基于铜缆的接入方式并不是解决“最后一公里”瓶颈问题的最可行的解决方案；FSO相对而言是一种比较好的方案，带宽可扩展，建设速度快，并且十分经济。

应用

　　到目前为止，FSO已被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供100Mb/s的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网(SONET)通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。

　　综合多家电信运营商所建设的FSO网络，可以看出，作为“最后一公里”解决方案之一的FSO技术主要有以下用途：

　　城域网的扩展：FSO可以用于扩展已有的城域网或者连到新的网络。这些链路通常不到达最终用户，而是为网络核心服务。

　　企业应用：FSO的灵活性使它可以应用于许多企业和学校，例如企业LAN到LAN的连接及校园网的连接。

　　作为光纤的补充：目前大多数电信运营商都采用两条光纤连接来保证所构建的商业应用网的安全。现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择FSO系统作为备份光纤的冗余链路，以节省投资。

　　接入应用：FSO也可以用在接入网中，例如吉比特以太网接入。业务提供商可以使用FSO去旁路本地环路系统，或当作LMDS或蜂窝网的回程链路。

　　DWDM业务：想要构建属于自己的光纤网络的独立运营商，可以结合使用WDM与FSO来完成部分链路的传输，以节省光纤租赁费用。

　　尽管存在一些问题，但在低成本、快速组网等方面具有较大优势的FSO的市场前景非常广阔。在未来几年里，它将作为一个主要的手段进入本地宽带接入市场，特别是没有光纤连接的中小企业。据预测，一两年内，FSO市场会形成一定规模，到2005年可达到20亿美元。

摘自《通讯世界》2002.6期